一、 研究背景
随着电动汽车与大规模储能系统的快速发展，锂离子电池（LIBs）对高容量、高功率密度电极材料的需求日益迫切。在众多负极材料中，铋（Bi）因其适宜的氧化还原电位（0.5～0.75 V）、高质量比容量（385 mAh/g）和高体积比容量（3800 mAh/cm³）而备受关注。然而，Bi基负极在充放电过程中存在显著的体积膨胀（约215%），导致电极结构粉化、容量快速衰减。此外，Bi与还原氧化石墨烯（rGO）之间的界面相容性差，限制了离子/电子的高效传输。
二、 工作简介
针对上述挑战，西北工业大学王洪强/徐飞教授团队提出了一种“液相脉冲激光辐照+溶剂热反应”的联合策略，成功制备了尺寸仅为2 nm的超细Bi纳米晶，并通过Bi–O–C共价键将其均匀锚定在rGO纳米片上。该结构不仅有效抑制了纳米颗粒的团聚，还显著提升了界面离子/电子传输效率，并缓解了合金化过程中的体积膨胀。该Bi-rGO-2负极在100 mA/g的电流密度下循环500次后，仍能保持586.7 mAh/g的可逆容量，几乎是未键合Bulk Bi/rGO复合负极（318 mAh/g）的2倍。理论计算与动力学分析进一步证实，小尺寸Bi纳米晶增强了与rGO的结合能，并加速了Li⁺的扩散。该文章发表在国产期刊New Carbon Materials上，苏延霞教授为本文第一作者，王洪强教授、徐飞教授为论文共同通讯作者。
三、 核心图文解析
图1. Bi-rGO复合材料的合成与结构表征：（a）示意图展示了激光合成亚稳态Bi纳米晶并锚定于rGO的过程。（b–d）TEM、HRTEM及XRD结果表明，激光辐照后Bi纳米晶尺寸约为5.5 nm，晶体结构保持完整。（e–h）溶剂热反应后，Bi纳米晶尺寸进一步缩小至2 nm（迄今报道的最小值），均匀分布于rGO基体，HAADF-EDS图像证实Bi、O、C元素均匀分布。
图2. 界面化学键合分析：（a）TGA测定Bi-rGO-2中Bi含量为69.4%。（b）XRD确认Bi晶相存在，未检测到rGO特征峰，表明GO已被还原。（c–f）XPS高分辨谱显示Bi–O–C键的存在，且随Bi含量增加，Bi–O键比例先升后降，最优为Bi-rGO-2（87.8%），证明其界面共价耦合最强。
图3. 电化学性能：（a–c）Bi-rGO-2在100 mA/g下循环500次后容量为586.7 mAh/g，优于多数已报道的Bi/C复合材料。（d–e）倍率性能测试显示，Bi-rGO-2在2000 mA/g下仍保持159.9 mAh/g，恢复至100 mA/g后容量回升至327.1 mAh/g，表现出优异的可逆性与结构稳定性。
图4. 界面与结构稳定性分析：（a）DFT计算表明，Bi颗粒越小，与rGO的结合能越高。（b–c）与Bulk Bi/rGO相比，Bi-rGO-2在100和500 mA/g下均展现出更高的容量与循环稳定性。（d）截面SEM显示，Bi-rGO-2电极在锂化/去锂化后的厚度变化仅为9.1%，远低于Bulk Bi/rGO的25%，证实体积膨胀被有效抑制。（e–f）CV曲线显示Bi-rGO-2具有更低的电压滞后（0.04～0.05 V），表明其优异的循环稳定性。
图5. 动力学分析：（a–c）不同扫速下的CV曲线及b值拟合表明，Bi-rGO-2的b值（0.52–0.60）高于Bulk Bi/rGO（0.44–0.45），说明其表面电容贡献更高，Li⁺扩散更快。（d–i）GITT测试进一步证实，Bi-rGO-2的Li⁺扩散系数（10⁻¹¹～10⁻¹³ cm²/s）显著高于对比样，归因于超细Bi纳米晶与Bi–O–C键构建的高效传输通道。
四、结论
本研究成功开发了一种激光辅助合成亚稳态超细Bi纳米晶并共价键合于rGO的策略，解决了Bi基负极界面传输动力学差、体积膨胀严重等关键问题。所制Bi-rGO-2负极在容量、循环稳定性和倍率性能方面均表现出显著优势，为高性能合金型负极材料的设计提供了新思路。
New Carbon Materials 文章信息
Yanxia Su, Xiuhai Zhang, Yuqian Qiu, et al. Laser-synthesized metastable bismuth nanocrystals chemically bonded to reduced graphene oxide for excellent lithium storage. New Carbon Materials, 2026, 41 (2): 365-378.
苏延霞，张秀海，邱玉倩，等.激光合成的亚稳态铋纳米晶与还原氧化石墨烯化学键合实现优异的储锂性能. 新型炭材料（中英文）, 2026, 41 (2): 365-378.
原文连接：
https://www.sciengine.com/NCM/doi/10.1016/S1872-5805(26)61068-2
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